L'asthénosphère se trouve à environ 100 km de profondeur sous les océans, et à 170 km sous les continents. © José F. Vigil, Wikimedia Commons, CC by-sa 3.0
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Asthénosphère : qu'est-ce que c'est ?

DéfinitionClassé sous :Géologie , structure de la Terre , manteau terrestre

[EN VIDÉO] La sismologie, le stéthoscope qui écoute le cœur de la Terre  « La Terre est opaque mais elle est transparente aux ondes sismiques » nous explique Jean-Paul Montagner, chercheur à l'IPGP (Institut de physique du Globe de Paris), en préambule de cette vidéo. Nous plongeons grâce à elle dans les entrailles de la Terre, pour y observer sa structure et comprendre l'origine des séismes. 

L'asthénosphère représente la partie la plus ductile, la plus faible d'un point de vue mécanique, du manteau terrestre. Elle est localisée directement sous la lithosphère, qui se définit comme un ensemble plus rigide comprenant la croûte et la partie supérieure du manteau. Les limites de l'asthénosphère sont principalement définies sur des critères physiques (en particulier les vitesses des ondes sismiques) et non chimiques.

Coupe de la Terre montrant les principales enveloppes. © Volcan26, Wikimedia Commons, CC by-sa 4.0

Une zone à faibles vitesses sismiques

L'asthénosphère représente une partie du manteau supérieur. Ses limites ne sont pas associées à des changements de composition minéralogique mais à des changements de propriétés physiques et mécaniques. En effet, la limite supérieure de l'asthénosphère, correspondant à l'isotherme 1.300 °C, marque également le sommet d'une zone à faibles vitesses sismiques, encore appelée LVZ pour Low Velocity Zone. Cette zone s'étend donc de la limite lithosphère-asthénosphère, en moyenne à 100 km de profondeur, jusqu'à 235 km. Cette diminution très rapide de la vitesse des ondes sismiques dans la partie supérieure de l'asthénosphère est associée aux conditions de température et de pression qui règnent à ces profondeurs. En effet, au-delà de 1.300 °C, les péridotites (roches du manteau) commencent à fondre. Cette fusion très partielle (1 % de liquide seulement) du matériel mantellique engendre un ralentissement des ondes sismiques mais également un changement de comportement mécanique.

Profil de température dans le manteau illustrant la zone de fusion partielle à l'origine de la zone à faible vitesse (LVZ). © Steven Earle, Wikimedia Commons, CC by-sa 4.0

Un comportement ductile favorisant la tectonique des plaques

En comparaison avec la lithosphère, qui est considérée à grande échelle comme rigide et cassante, ce début de fusion partielle dans la partie supérieure de l'asthénosphère entraine un important changement rhéologique. Le manteau asthénosphérique devient ainsi ductile et très facile à déformer, en particulier par fluage. Le contraste rhéologique qui a lieu entre la lithosphère et l'asthénosphère engendre un découplage mécanique entre ces deux zones. Les plaques lithosphériques rigides peuvent ainsi « bouger » au-dessus de l'asthénosphère qui se déforme de façon plastique par un processus nommé « fluage par diffusion ». Cette particularité mécanique est essentielle pour la tectonique des plaques.

Des chercheurs ont modélisé les mouvements des plaques tectoniques lors du dernier milliard d'années. © Sabin Zahirovic, géologue et coauteur de cette étude.

Limite inférieure de l’asthénosphère

Contrairement à la limite supérieure de l'asthénosphère (communément appelée LAB pour Lithopshere-Asthenosphere Boundary) qui bénéficie d'un relatif consensus, la limite inférieure de l'asthénosphère est mal définie et plusieurs interprétations existent au sein de la communauté scientifique. Pour certains, l'asthénosphère se définit suivant un critère mécanique et se résume à la zone de manteau ductile subissant le processus de fusion partielle. Dans ce cas, l'asthénosphère coïncide avec la zone de faible vitesse (LVZ) et sa limite inférieure se situe autour de 220-235 km de profondeur. La limite inférieure de la LVZ correspond à la profondeur à laquelle le géotherme repasse sous le solidus des péridotites. Autrement dit, les conditions de pression font qu'au-delà de 220 km, il n'est plus possible de fondre le matériel mantellique malgré l'augmentation de la température. Le manteau devient plus résistant et les vitesses des ondes sismiques augmentent rapidement.

D'autres définitions se basent sur la vitesse des ondes sismiques ainsi que sur la structure minéralogique du manteau et placent la base de l'asthénosphère beaucoup plus profondément, vers 670 km. Deux sauts de vitesse sont en effet observés en-dessous de la LVZ. Une première augmentation de la vitesse des ondes sismiques a lieu vers 400 km de profondeur et une seconde vers 670 km. Ces profondeurs correspondent à des changements ou réarrangements dans la structure cristalline des minéraux. La zone située entre 400 et 670 km correspond à une zone de transition où les atomes constituant les cristaux d'olivine (Si, O, Fe, Mg) tendent à former une structure minéralogique plus dense de type spinelle. En fait, on assiste à tout une série de transition de phase minéralogique de sorte qu'au fur et à mesure que la pression augmente avec la profondeur les phases silicatées majeures du manteau terrestre supérieur deviennent respectivement  olivine, wadsleyite, ringwoodite, (Mg,Fe)2SiO4. Au-delà de cette zone de transition, vers 670 km, la structure de l'olivine se réarrange encore une fois en un réseau encore plus dense pour pour le manteau supérieur, et bridgmanite, (Mg,Fe)SiO3, pour le manteau inférieur. Pour certains scientifiques, c'est ce dernier changement qui marquerait la limite asthénosphère-manteau inférieur et l'entrée dans la mésosphère.

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